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CN111033335A - 使用基于SOI的垂直分离波导的具有1xM个输出端口的三维光路 - Google Patents

使用基于SOI的垂直分离波导的具有1xM个输出端口的三维光路 Download PDF

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CN111033335A
CN111033335A CN201880047108.2A CN201880047108A CN111033335A CN 111033335 A CN111033335 A CN 111033335A CN 201880047108 A CN201880047108 A CN 201880047108A CN 111033335 A CN111033335 A CN 111033335A
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CN
China
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silicon
optical
waveguide
optical interconnect
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CN201880047108.2A
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亚伯拉罕·周
保罗·毛-仁·吴
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Ardot
Original Assignee
Ardot
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Abstract

本申请公开了具有安装在SOI晶片的同一表面上的一个输入端口和多个输出端口的三维光学互连装置。第一硅表面具有带垂直部分的硅波导、第一45度端反射器、第二45度端反射器、以及沿垂直部分依次排列的多个分光器。第二硅表面具有绝缘层和有源光学输入装置(VCSEL激光器)以及安装在绝缘层上的多个接收器端口。第一端反射器与输入光学装置对准，分光器和第二端反射器分别与光检测器依次对准。通过来自每个对准的分光器的反射和来自第二端反射器的穿过硅衬底的反射，形成从输入光学装置到每个光检测器的多个光路。

Description

使用基于SOI的垂直分离波导的具有1xM个输出端口的三维 光路
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年5月19日提交的申请号为“62/508,940”、标题为“光学耦合结构”的美国临时专利申请，和于2017年5月23日提交的申请号为“62/509,892”、标题为“光学互连模块”的美国临时专利申请的优先权，其全文都通过引用方式并入本文。
技术领域
本申请描述的实施例涉及光学互连模块，更具体地，涉及光学互连中的光学子组件系统。
背景技术
云计算，企业网络和数据中心网络持续推动光波导带宽需求，数据中心内城域和长途线路以及机架到机架线路的光波导带宽需求增加到100Gbps甚至更高。带宽需求的增加推动了整个光学系统的整体高数据传输速度。
作为系统之间以及在各种距离上进行高速数据传输的潜在解决方案，光学互连技术不断受到关注。例如，光学互连解决方案已用于多种应用，比如在数据中心的机架之间，家用消费电子产品之间以及服务器系统内的板或芯片之间。光学互连特别适合在发射器和接收器系统中采用。
在传统的光学子组件(OSA)设计中，发射器模块包括传输激光器，驱动器集成电路(IC)和印刷电路板(PCB)，而接收器模块包括光电探测器(PD)，跨阻放大器(TIA)和PCB。传输激光器(通常是垂直腔面发射激光器(VCSEL))和PD之间的光路通常是光纤，例如光纤带和光波导。复杂的光束路由器包括聚焦透镜，棱镜和光纤连接器，用于将光纤与光路精确对准。包括螺钉，夹子，对准销和结构外壳的机械结构通常用于固定和对准光束路由器。
然而，光学互连通常需要光纤组件和激光器的耦合，涉及外部透镜对准，增加了复杂性和能量损耗。如果涉及多路复用，则变得更加复杂。需要一种不太复杂的具有多个输出端口的组装技术来提高效率并降低成本。
申请内容
本申请公开了一种使用基于SOI的垂直分离波导的光学互连装置。所述装置包括具有第一硅表面和第二硅表面的SOI衬底，所述第一硅表面下方嵌有氧化物层，所述第二硅表面上设有绝缘层。在所述第一硅表面上，所述装置具有带垂直部分的硅波导装置、第一45度端反射器、第二45度端反射器、以及沿所述垂直部分依次排列的多个分光器。所述第二硅表面具有绝缘层和安装在所述绝缘层上的光学引擎。所述光学引擎包括有源光子器件，所述有源光子器件通过在绝缘层上光刻刻蚀的多个导线连接。所述有源装置包括单个输入光学装置和多个输出光学装置。所述第一端反射器与输入光学装置对准，多个分光器中的每一个和第二端反射器分别与多个输出光学装置依次对准。通过来自每个对准的分光器的反射和来自所述第二端反射器的穿过所述硅衬底的反射，形成从所述输入光学装置到每个输出光学装置的多个光路。
分光器的主要组件是45度微反射器。所述45度微反射器和所述第二端反射器具有依次更大的反射区域。
所述硅波导装置在所述第一硅表面的(100)硅晶面上制造，所述微反射器在(110)晶面上形成。
可选地，氧化物层在所述硅波导装置上生长，以形成包覆结构和保护层。
可选地，所述输入光学装置是发射红外光的垂直腔面发射激光器(VCSEL)或垂直腔面发射激光器阵列(VCSELs)。
可选地，所述多个输出光学装置是光电二极管(PD)或光电二极管阵列(PDs)，所述光电二极管或所述光电二极管阵列是硅和锗的混合类型。
光学引擎还包括驱动器IC，放大器和RF电路。
可选地，每个分光器都包括凹口结构，所述凹口结构布置成沿着所述硅波导具有依次更深的凹口。
可选地，所述硅衬底是SOI晶片。
可选地，所述垂直腔面发射激光器阵列(VCSELs)是1×4阵列，所述硅波导装置具有4个通道。
可选地，所述多条导线由钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、不锈钢或合金制成。
可选地，所述导线是能够以每通道25Gbps的速度运行的高速RF传输线。
本申请还公开了一种制造光学互连装置的方法。所述方法包括：提供用于光电子学的硅衬底，所述硅衬底具有第一硅表面和第二硅表面，所述第一硅表面具有嵌入的氧化物层；在所述第一硅表面上光刻刻蚀条状波导，并暴露所述波导外部的所述氧化物层；在硅波导的端部光刻刻蚀45度端反射器；光刻刻蚀沿所述波导具有依次更大反射区域的多个45度反射器；翻转所述硅衬底以在所述第二硅表面上工作；在所述第二硅表面上沉积绝缘层；在所述第二硅表面的所述绝缘层上光刻刻蚀导线；和在所述导线上生长接合柱或焊料凸块以连接到输入光学装置和多个输出光学装置，所述输入光学装置和所述多个输出光学装置对准到所述多个45度反射器和45度端反射器。
可选地，在所述第二硅表面上沉积粘合剂层，所述粘合剂层为各向异性导电膜(ACF)。
可选地，光刻刻蚀所述导线包括：形成沟槽并在所述沟槽中填充金属，然后通过化学机械抛光(CMP)或通过选择性蚀刻以清除沟槽外部的金属来去除多余的金属。
可选地，光刻刻蚀所述导线包括：沉积金属层，将所述金属层光刻刻蚀成线，然后通过化学机械抛光(CMP)或通过选择性蚀刻去除多余的金属。
本申请所公开的结构将硅衬底层上的有源光子器件与SOI的硅器件层上的无源光学器件分开。当包括锗器件时，可以通过CMOS制造或混合集成来实现有源器件。无源器件可以通过MEMS(非CMOS)制造来实现。
附图说明
已概括地描述了一些实施例，下面将参考附图进行描述，附图不必按比例绘制。
图1示出了一个SOI衬底。
图2示出了根据一个实施例在SOI衬底的硅器件表面上制造波导的制备步骤。
图3A示出了根据一个实施例在SOI衬底的硅器件表面上形成波导的45度端反射器的另一制备步骤。
图3B示出了根据一个实施例首先在SOI衬底的硅器件表面上以相同深度形成波导的多个45度微反射器。
图3C示出了根据一个实施例在SOI衬底的硅器件表面上形成具有依次不同深度的波导的多个45度反射器。
图4A示出了在SOI衬底上制造光子器件之前向下翻转的完成的波导的剖视图。
图4B-4D示了根据图4A的实施例的波导中三个不同分光器的剖视图。
图5示出了根据一个实施例在SOI衬底的硅衬底侧上制造用于多个有源器件的接触线。
图6示出了根据一个实施例在SOI衬底的硅衬底侧上添加用于互连有源器件的焊料凸块。
图7示出了根据一个实施例在SOI衬底的硅衬底侧上的接合焊盘上组装光子器件。
图8示出了根据一个实施例所公开的光学互连模块的光路，该光学互连模块在SOI衬底的一个表面上具有一个输入光端口和三个输出光端口，并且在SOI衬底的另一表面上具有带有多个分光器的多路复用3D光波导。
图9示出了根据一个实施例用于制造3D光学互连模块的方法的示意流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本申请。应当理解，本文所述的具体实施例仅用于解释本申请，并不用于限制本申请。另外，应当指出，为了便于描述，在附图中仅示出了与本申请相关的结构的一部分而不是整个结构。
在各个实施例中，参考附图进行了描述。然而，可以在没有一个或多个这些具体细节的情况下或与其他已知方法和配置相结合地实践某些实施例。在下面的描述中，阐述了许多具体细节，例如具体配置，尺寸和过程等，以便提供对实施例的透彻理解。在其他情况下，没有特别详细地描述众所周知的半导体工艺和制造技术，以免不必要地混淆实施例。在整个说明书中，对“一个实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征，结构，配置或特性包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”不一定是指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式来组合特定特征，结构，配置或特性。
本文所使用的术语“高于”、“越过”、“至”、“在...之间”和“在...之上”可以指的是一层相对于其他层的相对位置。一层“高于”、“越过”另一层，或在另一层“之上”，或结合“至”另一层，或与另一层“接触”，可以与另一层直接接触或两层之间可以有一个或多个中间层。在层“之间”的一层可以与这些层直接接触，或者可以有一个或多个中间层。
需要注意的是，在以下描述中示出了具体细节，以完全理解本申请。然而，可以以不同于本文描述的其他方式来实现本申请，并且本领域技术人员可以在不脱离本申请的概念的情况下将其类似地概括。因此，本申请将不限于以下公开的特定实施例。
光学互连是通过光纤电缆进行通信的一种方式。与传统电缆相比，光纤具有更高的带宽，从10Gbit/s到100Gbit/s。光学通信系统通常使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)，以实现方便的配置和易于组装。
垂直腔面发射激光器或VCSEL是一种半导体激光二极管，其发射的激光束垂直于顶表面，这与传统的边缘发射半导体激光器(也就是面内激光器)相反，传统的边缘发射半导体激光器从通过切割晶片中的单个芯片形成的表面来发射。垂直腔面发射激光器或VCSEL激光器通常基于砷化镓(GaAs)晶片，发出的光波长为650nm至1300nm，具有由砷化镓和砷化铝镓(AlxGa(1-x)As)形成的衍射布拉格反射器(DBR)。
目前有两种主要的限制VCSEL中电流的方法，其对应两种类型的VCSEL：离子注入VCSEL和氧化物VCSEL。还可以施加附加的粘合剂层，例如聚酰亚胺层、或非导电膜(NCF)，以增强组件对硅衬底的粘合性。在波导表面上设计了包括RF传输设备在内的高速电气走线，以连接驱动器IC和VCSEL阵列以及连接跨阻放大器(TIA)阵列。通常，VCSEL阵列具有四个成行包装的VCSEL激光器。
根据一个实施例，光学引擎的数据速率可以以每通道每秒25吉比特(Gbps)的速率运行，并且可以扩展到更高的数据速率，例如每通道50Gbps。VCSEL的应用包括光纤通信，精密传感，计算机鼠标和激光打印机。
下面公开的实施例描述了光学互连和应用平台。一方面，根据实施例的光学互连和平台可以在没有传统光学互连组件中通常使用的光学透镜和光纤带的情况下组装。另外，与传统技术相比，通过使用半导体工艺技术来形成传输线以及有源器件(例如驱动器IC芯片、激光器、PD和接收器(例如TIA)芯片)的倒装芯片集成，可以减少组装时间。另外，制造技术可以改善电信号的RF性能，并增加光学互连的数据速率。下面示出的实施例可以被集成为基于PCB的光学互连。特别地，实施例可以通过将硅晶片中介层与VCSEL激光器单片集成在诸如PCB的封装平台和聚合物波导中，来改善与VCSEL/PD的光耦合。
如图1所示，SOI衬底100由硅晶片140制成，其具有第一硅表面160(在SOI晶片中称为器件表面)和第二硅表面170(也称为硅衬底表面)，第一硅表面160位于嵌入式氧化物层128上方。嵌入的氧化物层通常是通过将氧注入硅晶片表面以形成深度、厚度和成分明确的SiOx层而形成的氧化硅层。使用标准SIMOX晶片或深氧化物注入，然后进行表面退火，以制备SOI衬底。要求低泄漏或辐射防护的IC器件通常在IC制造过程中在SOI表面上制造，因此绝缘硅表面160在半导体领域通常被称为器件层，尽管在本申请中它带有无源光波导。
硅衬底140通常在光学互连装置的工作波长下具有高红外透射特性。高透射包括在工作波长下来自硅晶片的块状材料或晶片表面的光的低吸收和低散射。对于通常在电信应用中使用的1300纳米到几微米范围内的红外光，硅材料具有低吸收特性。衬底140具有抛光良好的顶表面160和底表面170。该顶表面和底表面可以彼此平行或略微向彼此倾斜以具有低的光学内部反射噪声。SOI衬底140的厚度选择为薄，以使其在光学上具有低传输损耗，并且具有足够的强度作为中介层，以在其制造过程中以及在其长期操作期间将光子元件和光学元件支撑在顶表面和底表面上。SOI衬底厚度通常在50微米至2毫米的范围内。
另一个实施例包括在导线下方附接到SOI晶片的金属板，以提供更大的机械强度。为了使光线通过，在金属板上制成必要的窗口。
尽管在制造许多光学互连模块时，可以先分别形成波导，然后再使用粘合膜将其附着到衬底的一个表面上。而本申请公开了一种集成工艺，在同一SOI衬底的另一表面上制造光子器件的几乎同时，在嵌入的氧化物上方的硅层内部制造硅波导。与最初描述的分离和附着方式相比，三维硅波导作为衬底的集成部分，在界面处具有更高的透射率，并且沿光路的对准更加精确。同时，消除了将波导附着到中介层SOI衬底的制造成本。
图2示出了根据一个实施例在SOI衬底的硅器件表面上制造波导的制备步骤。
如图2中的图形200所示，在第一硅表面(也称为SOI衬底140的硅器件表面)上光刻刻蚀条形结构120，将条形结构外部的硅材料一直向下去除到绝缘层界面129。条形结构的端部被向下笔直切割成陡坡。使用光刻技术和选择性蚀刻进行上述光刻刻蚀步骤，条形结构外部的硅被去除，但氧化硅是完整并暴露的。
图3A示出了根据一个实施例在SOI衬底的硅器件表面上形成波导的45度端反射器的另一制备步骤。为了形成45度的斜率，可以在光刻刻蚀期间施加可变的光刻曝光能量。有多种方法可以控制曝光能量，以实现平滑、准确的45度反射器斜率。例如，在曝光期间移动曝光快门或缩小窗口或在曝光期间可编程、可变的扫描仪光强度都是可行的技术。用于适当的光分离、角度控制公差和表面粗糙度的顺序复用阶段的反射器表面尺寸是光路效率的关键因素。幸运的是，在MEMS工艺中积累的知识非常适合于这些微镜/反射镜的制造。
为了将来自一个输入端口的VCSEL光分成从同一表面的多个输出端口输出，在安装在与SOI衬底的输入/输出端口相反的一侧的波导中制造了多个依序的45度微反射器。图3B示出了当微反射器具有相同的反射区域时在波导中形成多个45度微反射器的中间步骤。图3C示出了在波导中制造这些微反射器以具有依次更大的反射区域的下一步。如图3A-3C所示，如此形成的波导122包括三个垂直部分224a，224b和224c，以及两个用作弯曲镜的45度端反射器125a和125b，以及在两个端反射器125a和125b之间依次排列的45度分光器结构228、229。在另一实施例中可以有两个以上的依序的分光器。图3A-3C公开了一个示例性实施例。依次布置的45度分光器228和229每个都具有凹口结构。该凹口结构设计为在行进光束中具有一个45度微反射器，从而仅将所需部分的光向上反射90度，并使其余行进光束继续通过直波导。分离出的光的确切数量是凹口结构特征(例如宽度，深度和面积)的函数。除了使用区域控制的反射式分光器之外，分束器还可以具有其他类型，例如选择性反射涂层或偏振控制分光。区域控制的反射式分光器的优点是简单，重量轻且易于制造。
第一凹口结构228包括一个或两个锥形侧壁228a和228b(第二侧斜面228b是可选的)，并且该结构具有第一凹口深度D1。第一微反射器228a以45度的斜率将整个光束的第一部分向上反射回硅衬底，朝向第一光电探测器接收器。第一部分光的确切数量是第一凹口结构特征(例如其宽度，深度和面积)的函数。第二斜面228b对反射没有贡献，但是它收集直接穿过第一反射面228a泄漏的光并且将光反弹离开波导。
第二凹口结构229包括一个或两个反射器229a和229b，而第二侧壁229b是可选的。第二凹口结构具有第二凹口深度D2，D2比第一凹口深度D1更深。在具有45度反射器229a的第一凹口之后，第二凹口结构229的第一微反射器229a将剩余的行进光的第二部分分离，并且分离出的光朝着第二光电探测器接收器返回硅衬底。第二部分光的确切数量是凹口结构特征(例如宽度、深度和面积)的函数。第二斜面229b对分光器的反射没有直接贡献，但是第二斜面229b收集来自第一反射器229a的泄漏光并且将光反弹离开波导。经过第二凹口之后的剩余光继续在波导中传播。
用可变的光刻曝光能量来制造凹口结构中的锥形侧壁。所需的依次更深的凹口结构应分多个步骤制作。第一步是在第一凹口和第二凹口中达到凹口深度D1。第一步包括在曝光期间施加移动的曝光快门或收缩/扩展光窗口或编程的光强度控制，然后进行蚀刻以形成锥形。第二凹口结构229及其侧壁229a和229b最初具有相同的凹口深度D1。第二步用于为下一个凹口结构获得更深的凹口深度D2。对于更深的第二凹口，施加额外的曝光能量控制，同时必须通过在第一凹口结构上方的光刻掩模中施加暗区来阻挡曝光，从而当第二凹口暴露时，凹口深度D1保持不变。如果制造了更多的依序分光阶段，则重复应用相同的技术。
第一凹口结构的第二侧壁228b和第二凹口结构的第二侧壁229b可以是没有45度斜度的直壁，以避免不必要的散射或重影。
通常，器件表面侧的SOI晶片表面是(100)晶体硅，从而在(100)硅晶面中制造硅波导，并在(110)晶面上形成波导侧壁。
建议使用折射率低于硅的稳定材料将波导密封，以确保波导中的全内反射。假设硅在1100nm或更长波长处的介电常数约为3.50，并且氧化膜具有低折射率1.45，那么厚的氧化膜可以是波导的良好覆层。在暴露的硅表面上的环境中生长的天然氧化物的厚度约为10nm。天然氧化物无法提供良好的密封来阻止容易消散的光泄漏到高折射率和高泄漏材料附近。因此，波导不应暴露于开放的环境中，它需要涂覆或覆盖至少几个波长厚的包覆层，例如氧化硅。在此，这种选择未在图中显示。
图4A示出了被向下翻转的在衬底上完成的波导的剖视图，以便准备在SOI衬底上制造有源器件。在SOI衬底上进行加工的过程中，SOI被某种类型的载物台保持器牢固地保持，优选两个表面上的器件都没有物理接触。可以选择首先在哪个表面上制造器件。作为示例性方法，如上所述，在附接光电有源器件之前首先加工波导侧。在波导完成后，为了将有源器件封装在SOI的衬底侧，将SOI晶片上下反转，无源波导面朝下，因为晶片被支撑台固定在边缘上。然而，首先封装有源器件侧，然后再光刻刻蚀波导，可能存在优势。首先加工波导，然后以完成的波导面朝下的方式固定表面，可能会更有风险，因为面朝下的无源光学器件很脆弱，当接触平台时会受到损坏。
图4B-4D示了根据图4A的实施例的波导中三个不同分光器的剖视图。第二侧壁在光路中起着无关紧要的作用，但是至少为了简化制造，第二侧壁保留在波导中。同时，如果有光从第一壁微反射器漏出，则它可以将光反弹离开波导。如图4B所示，凹口的第二侧壁250a是45度反射器，其具有与第一侧壁相反的斜率。如图4C所示,第二壁250b是直的悬崖状结构。在这种情况下，反弹回来的光也会从第一反射镜反射出去。图4D中的另一分光器结构250c简单地消除了第二壁。少量泄漏的光停留在波导外部。硅与环境或氧化物的界面处的红外光在45度下获得全内反射，因此在理想情况下第一反射器表面的泄漏可以忽略。
图5示出了根据一个实施例在SOI衬底的硅衬底侧上制造用于多个有源器件的接触线。
在硅表面170上沉积或生长绝缘膜129c。表面170是承载有源光学器件的互连的平台，例如发射器中的激光二极管或接收器中的光电探测器，以及电子触点。与石英或玻璃不同，由于硅是半导体，因此在连接电子器件之前，必须先在硅的顶表面上涂覆绝缘材料。绝缘材料可以是氧化物，氮化物，或者有机材料，例如聚酰亚胺。
为了将光学引擎-有源器件封装在表面上，首先，在SOI的干净绝缘表面上将电迹线110x光刻刻蚀为光学互连的传输线。注意在图5中，并非所有传输线都被绘制或标记。选择铜、铝、钨、钛、不锈钢或合金作为高速传输线的材料。可以应用半导体工业中已知的金属层沉积或其涂覆技术。这些技术包括但不限于湿/干蚀刻，金属镀覆或激光写入。也可以采用其他技术形成传输线，例如，首先在衬底的顶表面上的绝缘层中形成沟槽；然后在顶表面上沉积金属层来填充沟槽，然后采用化学机械抛光(CMP)或选择性干/湿蚀刻等平坦化技术从沟槽区域的外部去除多余的金属。硅表面上的绝缘层129c对于将传输线与块状硅表面绝缘是必需的。
图6示出了根据一个实施例在SOI衬底的硅衬底侧上添加用于互连有源器件的焊料凸块的剖视图。
在顶表面上的绝缘层上对传输线110x进行光刻刻蚀之后，在传输线110x上形成适当的接合柱141x、142x、143x和144x作为用于连接到有源光学器件或其他电子器件的接触点。在图6中，并非所有的接合凸块都显示为141x-144x。从这个衬底中介层140到外部电路的连接可以通过多种半导体封装技术来实现。
SOI衬底形成中介层，作为机械支撑结构，用于安装到多通道系统中的PCB板、一个或多个硅波导。没有作为中介层的SOI衬底的支撑，在薄膜上构建的柔性电路板可能太脆弱，无法支撑电子器件和波导。
图7示出了根据一个实施例的在硅衬底侧的接合焊盘上的组装的光子器件和在SOI衬底的器件表面侧上具有多个分光器的复用波导的剖视图700。
无论是传输线是表面上的线还是刻在SOI衬底第二表面上的沟槽内金属结构，上述系统中的有源光学器件，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)721、激光驱动器722、第一光电二极管(PD1)731及其接收器IC 732、第二光电二极管(PD2)741及其接收器IC 742、第三光电二极管(PD3)751及其接收器IC 752、跨阻放大器(TIA)(在图中未示出)、RF电路(在图中未示出)、和其他光电设备通过如焊料凸块这样的连接柱连接到传输线110x。在柱或焊料凸块上涂金或镍涂层，以获得更好的连接性。其他光电器件也可以组装在封装到晶圆表面的PCB单元或柔性电路板(FCB)上。在表面上直接光刻刻蚀传输线可实现高速性能。
另一种封装技术是在传输线110x和互连柱141x、142x和143x上方的表面上附着粘附膜，以使它们钝化，并与随后组装的有源器件绝缘。外部组件可以附着到粘附膜或NCF膜上。使它们绝缘的其他技术包括在顶表面上施加非导电膜(NCF)，然后加热以增强附着零件的粘合力。可以使用清洁工艺来暴露接合柱，以正确地连接到有源器件。粘合膜或NCF未在图7中示出。
上述包括电连接的有源光电组件形成光学引擎。光学引擎通过诸如PCB或FCB 750之类的柔性板上的焊盘封装到外部电路。
将传输线互连到有源光电器件的另一种选择是通过称为各向异性导电膜(ACF)的光电封装技术，上述ACF在图7中未显示。
ACF技术广泛用于光电封装中，以实现更高的信号密度和更小的整体封装。在这个过程中，首先使用层压工艺将各向异性材料(例如，包含导电颗粒的热固性树脂)沉积在PCB750上。然后将SOI衬底上的光学引擎放置在PCB上方的位置，并将两侧压在一起以将光学引擎安装到PCB板上。在许多情况下，这种安装过程是在不加热或仅需少量热量的情况下完成的，该热量仅足以使各向异性材料变得稍微发粘。在使用包含导电颗粒的热固性树脂时，这些颗粒被捕集在PCB和光电元件之间，从而在它们之间形成电连接。在不以电极终止的其他位置，颗粒由热固性树脂绝缘。对于粘合，由于首先需要使粘合剂流动并使两个侧面聚在一起进行电接触，然后固化粘合剂并形成持久可靠的粘合，因此所需的热能较高。这些过程所需的温度、时间和压力必须适当控制。
首先是有源器件，例如(VCSEL)721或VCSEL阵列(例如标准的1x4 VCSEL)，光电检测器(PD)731、741、751和接收器芯片或跨阻放大器(TIA)阵列，此外，VCSEL驱动器IC 722，和RF器件被倒装芯片组装到SOI衬底140的绝缘膜129c上的接合柱141x、142x、143x，以形成光学引擎。因此，高速传输线110x被设计在表面129c上，以将驱动器IC 722连接到VCSEL721，将驱动器IC连接到光电检测器731、741和751，以及接收器芯片TIA阵列和其他电线。根据实施例，在衬底上形成传输线110x可以通过硅材料的高介电特性提高RF信号性能，对于红外光通常在3.0-4.0的范围内。这样形成的光学引擎可以以每通道每秒25吉比特(Gbps)的数据速率运行，并且可以扩展到更高的数据速率，例如每通道50Gbps。
在某些情况下，光学引擎与柔性印刷电路板(FCB)组装在一起。在一个实施例中，光学引擎被组装在PCB板上的开口的外围内。尽管没有单独示出，但是这种配置与其他实施例兼容，包括关于图7描述的实施例。
图8示出了根据一个实施例所公开的光学互连模块的光路，该光学互连模块在SOI衬底的一个表面上具有一个输入光端口和三个输出光端口，并且在SOI衬底的另一表面上具有带有多个分光器的多路复用3D光波导。
在图8中，VCSEL激光器的输出沿着路径723a穿过SOI衬底与第一45度反射器125a对准匹配，第一端反射器125a通过全内反射将光弯曲90度，并且将光耦合到波导122的第一垂直部分224a。只有一部分光被第一微反射器228a反射为光束723b，以行进通过SOI衬底并到达第一光电检测器PD1 731。被反射的光723b的量是射到第一反射器表面228a的总光束的一部分。位于光束路径中的第一微反射器的大小决定了要反射的部分。剩余的光束继续在波导的第二垂直部分224b内部传播。第二微反射器229a将射到反射器表面的光束723c的一部分反射到硅基板中，这第二部分光到达第二光电检测器PD2 741。反射光723c的量是射到反射器表面229a的入射光束的部分。位于入射光束路径中的微反射器229a的尺寸决定到达PD2的第二部分光。这种布置允许剩余的光束在波导122的第三垂直部分224c中继续其行进。第三垂直部分224c中的剩余行进光束被第二45度端反射器125b反射到硅衬底中，作为第三多路复用光束723d，到达第三光电检测器PD3 751。端反射器125b具有比先前的分光器反射器大的反射表面，因此它完成了如图8所示的整个光路。此多路复用过程可以继续进行更多阶段。三复用阶段设备是一个示例性实施例。这个1xM输出端口的优势是显而易见的，首先，收发器和接收器都以紧凑的配置位于SOI衬底的一侧，以用于片上光学互连应用。其次，没有接合步骤来集成波导。
图9示出了根据一个实施例用于制造在SOI衬底上具有1xM个输出端口的3D光学互连模块的方法的示意流程图。示例性的制造方法是先制造无源波导侧，然后制造有源器件侧。通过互换下面公开的子过程，反向过程也是可能的。
制造顺序可以包括第一步骤902：提供SOI衬底，该SOI衬底具有用于光电子学的硅衬底表面和用于波导的绝缘体上硅表面(也称为器件表面)。这两个表面可以彼此平行或向彼此略微倾斜，以避免由重影反射引起的问题。在步骤904中，在绝缘体上硅表面上对条状波导进行光刻刻蚀，并暴露硅层下面的氧化物表面。在步骤906中，在硅波导的端部光刻刻蚀45度反射器。在步骤908中，将硅波导中的多个中间的45度微反射器光刻刻蚀为依次更深的反射器。在步骤910中，翻转衬底以在硅衬底表面上的光电器件上工作。在步骤912中，在硅衬底表面上沉积绝缘层。在步骤914中，在表面上的绝缘层上光刻刻蚀沟槽并填充金属以形成传输线，或者沉积金属层并通过蚀刻或激光写入将其光刻刻蚀成线。金属层可以是铝，钨，不锈钢等。如果金属层是铜，则工艺需要遵循镀铜技术。或沉积金属层并光刻刻蚀成金属线，然后进行CMP清除多余的金属。在步骤916中，生长具有Au/Ni涂层的接合柱或焊料凸块，以进行倒装芯片安装。在步骤918中，将有源光学器件(VCSEL/PD)与传输线组装在一起并与45度微反射器对准。在步骤920中，在表面上沉积各向异性导电膜(ACF)(可选)。在步骤922中，将PCB附接到焊盘或将ACF附接到模块。
然而，实施例不限于该特定顺序，并且可以预见替代的制造顺序。
在利用实施例的各个方面时，对于本领域的技术人员显而易见的是，上述实施例的组合或变化对于制造光学互连是可能的。尽管已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了实施例，但是应当理解，所附权利要求书不一定限于所描述的特定特征或动作。相反，所公开的特定特征和动作应被理解为对说明权利要求有用的实施例。

Claims (20)

1.一种光学互连装置，包括：
硅衬底，其具有相互基本平行的第一硅表面和第二硅表面，所述第一硅表面下方嵌有氧化物层，所述第二硅表面上设有绝缘层；
硅波导装置，其具有垂直部分和在所述第一硅表面上制造的两端，所述硅波导装置包括在两端的第一45度端反射器和第二45度端反射器以及沿所述垂直部分依次排列的多个分光器；和
光学引擎，其安装在所述第二硅表面的绝缘层上，所述光学引擎包括：
多条导线，其在所述绝缘层上光刻刻蚀；和
输入光学装置和多个输出光学装置，所述第一端反射器与所述输入光学装置对准，所述第二端反射器和所述多个分光器中的每个依次分别与所述多个输出光学装置中的每个对准；
通过来自每个对准的分光器的反射和来自所述第二端反射器的穿过所述硅衬底的反射，从所述输入光学装置到所述多个输出光学装置中的每个形成多个光路。
2.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，所述多个分光器包括45度微反射器，所述45度微反射器和所述第二端反射器具有依次更大的反射区域。
3.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，所述硅波导装置在所述第一硅表面的(100)硅晶面上制造，所述微反射器在(110)晶面上形成。
4.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，氧化物层在所述硅波导装置上生长，以形成包覆结构。
5.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，所述输入光学装置是发射红外光的垂直腔面发射激光器(VCSEL)或垂直腔面发射激光器阵列(VCSELs)。
6.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，所述多个输出光学装置是光电二极管(PD)或光电二极管阵列(PDs)，所述光电二极管或所述光电二极管阵列是硅和锗的混合类型。
7.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，所述光学引擎还包括驱动器IC、放大器和RF电路。
8.根据权利要求2所述的光学互连装置，其中，所述多个分光器每个都包括凹口结构，所述凹口结构布置成沿着所述硅波导具有依次更深的凹口。
9.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，所述硅衬底的厚度为50微米至2毫米。
10.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，所述硅衬底是SOI晶片。
11.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，所述硅衬底的基本平行的所述第一硅表面和所述第二硅表面以小于10度的角度倾斜。
12.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，所述光学引擎和所述多条导线通过涂覆有Au/Ni的焊料凸块互连，在所述多条导线的顶部上的粘合剂层将所述光学引擎附着到所述硅衬底。
13.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，所述第一硅表面具有4微米至100微米厚的硅层，所述氧化物层的厚度大于5微米。
14.根据权利要求5所述的光学互连装置，其中，所述垂直腔面发射激光器阵列(VCSELs)是1×4阵列，所述硅波导装置具有4个通道。
15.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，所述多条导线由钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、不锈钢或合金制成。
16.根据权利要求1所述的光学互连装置，其中，所述多条导线是能够以每通道25Gbps的速度运行的高速RF传输线。
17.一种制造光学互连装置的方法，包括：
提供用于光电子学的硅衬底，所述硅衬底具有第一硅表面和第二硅表面，所述第一硅表面具有嵌入的氧化物层；
在所述第一硅表面上光刻刻蚀条状波导，并暴露硅层下面的氧化物表面；
在硅波导的端部光刻刻蚀45度端反射器；
光刻刻蚀具有依次更大反射区域的多个45度反射器；
翻转所述硅衬底以在所述第二硅表面上工作；
在所述第二硅表面上沉积绝缘层；
在所述第二硅表面的所述绝缘层上光刻刻蚀导线；和
在所述导线上生长接合柱或焊料凸块以连接到输入光学装置和多个输出光学装置，所述输入光学装置和所述多个输出光学装置对准到所述多个45度反射器和所述45度端反射器。
18.根据权利要求17所述的制造光学互连装置的方法，还包括在所述第二硅表面上沉积粘合剂层，所述粘合剂层包括各向异性导电膜(ACF)。
19.根据权利要求17所述的制造光学互连装置的方法，其中，光刻刻蚀所述导线包括：形成沟槽并在所述沟槽中填充金属，然后通过化学机械抛光(CMP)或通过选择性蚀刻以清除所述沟槽外部的金属来去除多余的金属。
20.根据权利要求17所述的制造光学互连装置的方法，其中，光刻刻蚀所述导线包括：沉积金属层，将所述金属层光刻刻蚀成线，然后通过化学机械抛光(CMP)或通过选择性蚀刻去除多余的金属。
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